空间对接平台关键件结构优化设计

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1、重庆人学硕士学位论文1绪论1绪论1．1课题来源及背景现代工业、国防及航空航天技术的发展，空间对接技术的要求越来越高。如：高精度工业制造中的工件对准，医疗化工中的管道对接，移动火箭(导弹)发射系统中的装填车和发射车的对接，航天发射中的星(船)箭对接，太空空间站的对接，网络电子技术中的电路连接等都涉及到两物体之间的对接。课题来源于工程实际应用中的一种空间对接平台(以下简称对接平台)。课题主要研究对接平台关键件结构优化问题，这是整个对接平台顺利实现其功能的关键。对接平台的六自由度调整功能实现直接关系到是否能精确对接到位。显然，对对接平台支撑腔体关键件优化设计异常重要。课题基于目前的对接平台提出

2、其关键件——支撑腔体结构拓扑优化的新方案，为以后的对接平台的设计奠定基础。减轻部件重量，提高力学性能是现代结构设计的需求，也是今后研发的发展趋势。结构优化是目前减轻重量的一条主要技术途径，优化的结构设计使对接平台体积更小、重量更轻、更趋于轻型化，而且对接平台重量的降低，扩大了其适装范围。由Altair公司、Airbus公司和BAESYSTEMS公司三方技术人员共同应用拓扑优化方法设计的A380机翼前缘肋，为每一架A380飞机带来的总体重减重达到500kg，这个项目因为其在减重方面达到的效果及其革命性的技术创新获得了2003年度空中客车公司设立的技术创新金奖。本文也将拓扑优化方法应用于对接

3、平台关键部件的结构优化，在保证对接平台功能的同时进行轻量化研究。对接平台是保证各行各业涉及精密对接技术得以顺利实现的基础。鉴于目前对接平台体积庞大、重量过大等不足，为了满足行业的需要，对现有对接平台进行优化设计显得意义重大，由于支撑腔体是整个对接平台功能得以实现的关键件，因此对其进行优化设计达到“瘦身强体"的效果更为重要。本文正是基于这种背景下，结合对接平台自身结构，针对该平台关键部件，进行有限元分析、优化其结构、减轻其重量，提高对接平台的灵活性和适装范围。1．2课题研究目的和实用意义结构尺寸优化和形状优化技术己经发展得比较成熟，被广泛应用于产品设计中，而结构拓扑优化比尺寸优化和形状优化

4、复杂得多，其主要困难在于满足一定功能要求的结构拓扑有无穷多形式，并且这些拓扑形式难以定量描述，同时，由于需要设计的结构预先是未知的，这更增加了问题的难度，被认为是最具挑战性的课题。结构拓扑优化在设计的初始阶段即产品的概念设计阶段就能被引入，所重庆人学硕士学位论文1绪论以与结构尺寸优化和形状优化相比可以获得更大的经济效益，因此该优化方法己逐渐得到广大上程技术人员的重视。本课题以对接平台的支撑腔体为对象，对其结构进行三维拓扑优化设计研究，对其结构进行静态和动态有限元分析计算，定性地分析支撑腔体结构的刚度及模态。在此基础上，采用新兴的现代CAE优化技术——基于有限元法的拓扑优化技术对该支撑腔体

5、的拓扑结构进行重新设计，着重在于减轻其自身重量。并对优化后的模型进行静态分析及动力学研究，以期获得具备更好的动静特性的支撑腔体模型，为对接平台的设计提供理论依据。对支撑腔体进行优化设计，特别是进行基于全新设计理念的连续体结构三维拓扑优化设计，使先进的优化技术在概念设计阶段就做出巨大贡献，对于在不损害结构性能，或者更提高产品性能的前提下，改善支撑腔体的拓扑结构，提高材料在支撑腔体中的利用率，降低支撑腔体整体质量等具有一定的学术和实际意义。通过本课题的研究，可以掌握一种全新机械结构和零部件设计方法，由传统经验设计向现代数字设计，更重要的是把该方法应用到企业产品中去，从而达到降低企业产品制造成

6、本，提高产品性能，增强企业的竞争力。在学术和实用上都是有价值的。1．3国内外结构优化和有限元的研究应用现状最近几年来，结构优化设计技术越来越受到人们的重视，由于计算机技术和有限元技术的飞跃发展，结构拓扑优化作为结构优化技术的一种受到设计行业的一致推崇。大型复杂结构的优化需要以有限元为基础进行计算，结构优化和有限元的集成使求解问题变得更加容易。从材料设计到工程产品设计、仿真、优化于一体的CAE系统是当今CAE软件的发展趋势之一。结构设计一般分为：结构强度设计、结构刚度设计、结构稳定性设计、结构可靠性设计和结构优化设计【l】。前四种设计是基于结构的使用安全性考虑，其结构设计思路是根据已有的基

7、本理论和工程设计人员的设计经验设计出产品的初始结构，然后进行强度分析，如果不符合要求再重新设计重新分析，直到满足用户的要求。结构优化设计是指在不牺牲结构部件的强度和性能的基础上，通过减轻结构的重量达到降低其制造成本。结构优化通常分为尺寸优化、形状优化、拓扑优化。国内外学者对结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化方面做了大量的研究工作，随着传统优化方法如优化准则法、数学规划法的研究较为完善和有限元分析软件的日益成熟，出现了大量的研究成果。Y